热电致冷的激光器温度控制电路设计

　　热敏电阻作为传感器探测激光器内部温度，并将温度转换为自身阻值的变化，然后由温度控制电路将电阻的变化转换为电压的变化，其转换精度决定了测温的精度。转换后电压值的大小决定TEC LOOP电路的电流的流向(流入还是流出)，以此来实现TEC控制电路的制冷或制热。

　　图3为设计的TEC LOOP电路。

　　在TPS6300X系列芯片中，为了更好地控制输出电压VOUT，通常用FB引脚电压值的变化来感知输出电压V(OUT值的变化，这就意味着FB引脚要和VOUT引脚直接相连。

　　可得出，VFB=K1·VOUT+K2·VDAC。其中，K1、K2为常量，VDAC为MCU的控制电压。通过对输出电压VOUT值的控制，当电流由ITEC(+)流向ITEC(-)时，激光器将制冷，反之制热。

　　在这个可调节的电压输出系统中，要调节VOUT值，还要用一个外部的分压电阻连接在FB、VOUT和GND之间。为了能正常地调节VOUT值，V-FB值最大不超过500 mA，IFB不超过0．01μA，RB的阻值小于500 kΩ。分压电阻RA阻值由VFB、YOUT和RB确定。

　　1．3 TEC LOOP控制算法

　　PID(Proportional Integral Derivative)控制是一种线性的调节，即比例、积分、微分控制。PID控制有模拟PID和数字PID控制两种，通常依据控制器输出与执行机构的对应关系，将基本数字PID算法分为位置式PID和增量式PID。本文中TEC LOOP控制采用了适合于温度控制的位置式PID控制算法。该算法原理简单，只是将经典的PID算法理论离散化，运用于计算机辅助测量，结构简单易于实现。图4是TEC LOOP的控制模型。

　　该控制模型的控制表达式为：

　　其中，Kp为比例调节系数，Ki为积分调节系数，Kd为微分调节系数，e(k)为每次采样值与目标值的差值，u(k)为每次计算后用于调整温度的DAC值。模型中的反馈部分是将24位DAC的采样值转换成温度，当前温度与目标温度的差值通过PID算法计算出当前需要调整的DAC值，从而来实现温度的精确控制。

　　2 实验结果及分析

　　基于以上设计的TEC控制电路，分别对4只EML激光器在-10℃、25℃、75℃三种温度下进行3．3(1±10％)V的一些性能指标测试，测试的激光器是在循环箱中进行，表1为其中波长和光发射功率的具体测量数据。

　　从表中可以看出，当TEC控制在42℃，4只EML激光器分别工作在-10℃、25℃、75℃时，中心波长的偏移均不超过0．2 nm，光功率的变化在±1 dB之内。根据CyOptics公司的lO Gb／s Cooled EML的使用手册可知，光功率、中心波长完全满足TDM(时分复用)的要求，波长的变化范围也可以满足WDM(波分复用)应用需求。

　　结语

　　本文所设计的基于TPS63000的温度控制电路，已成功应用在CyOptics公司的EML激光器中。实际使用证明：该电路可以有效地对TEC的温度进行控制，能够使EML激光器长期、稳定地工作在设定温度下。此模块工作温度宽、集成度高、成本低，经过进一步优化设计还可以适用于大多数集成光通信系统。